Лекция 4 Гидравлические забойные двигатели

В настоящее время выпускаются гидравлические забойные двигатели четырех видов:

турбинные забойные двигатели (турбобуры) различного конструктивного исполнения типов Т и А;

редукторные турбинные забойные двигатели типа ТР (турбобуры редукторные);

винтовые забойные двигатели типа Д;

турбинно-винтовые забойные двигатели типа ТВД.

4.1 Турбобуры: назначение, принцип действия

Турбобур, предназначенный для вращения долота при бурении скважин, представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости от бурового насоса. Каждая ступень турбины состоит из двух лопаточных систем: неподвижной (статор) и вращающейся (ротор).

В статоре поток жидкости подготовляется для работы в роторе: скорость увеличивается и изменяет свое направление. В каналах ротора, лопатки которого наклонены к лопаткам статора в противоположном направлении, скорость восстанавливается по величине и направлению. Затем жидкость входит в следующую ступень, где процесс повторяется.

При изменении в межлопаточных каналах скорости потока и соответствующего количества движения возникает сила, с которой поток действует на лопатки, суммируясь во всех ступенях в виде общего крутящего момента. Крутящий момент, создаваемый в статоре, воспринимается корпусом турбобура, жестко связанным с бурильными трубами. Равный, но противоположно направленный вращающий момент, действующий в роторе, через вал турбобура передается долоту.

В отличие от других гидравлических турбин, применяемых в основном для вращения вала электрогенератора и выполняемых, как правило, одноступенчатыми, турбобур подобно газовым и паровым турбинам является многоступенчатым.

Это объясняется тем, что он применяется в условиях, когда ограничены в своем наибольшем значении три следующих фактора, от которых в прямой зависимости находится вращающий момент: 1) расход жидкости, выбираемый из условий эффективного выноса из скважины разбуриваемой породы, не может быть увеличен из-за чрезмерного возрастания давления в циркуляционной системе; 2) диаметр турбины ограничен размером ствола скважины; 3) частота вращения вала турбины, жестко связанного с долотом, подчинена требованиям технологии бурения и не может быть произвольно увеличена.

Большое число ступеней турбины позволяет при ее малом диаметре (100 – 250 мм), сравнительно малом расходе жидкости (25 – 50 л/сек) и низкой частоте вращения (8 – 12 об/сек) создать высокий (2000 – 4000 Н·м) вращающий момент.

В зависимости от конструкции в турбобурах применяется от 25 до 350 ступеней. При большом числе ступеней значительно увеличивается длина турбобура. В таких случаях для удобства изготовления и монтажа его выполняют из отдельных секций (до четырех).

По направлению течения жидкости в лопастных системах турбобур относится к прямоточным турбинам. Как в статоре, так и в роторе жидкость движется вдоль оси турбины, не приближаясь к ней и не удаляясь от нее.

4.2 Рабочая характеристика турбины

Характеристика турбины турбобура графически представляется линиями вращающего момента М_k, перепада давления Δр_т, мощности N_k и к. п. д. η в зависимости от частоты вращения п при постоянном расходе жидкости Q (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Рабочая характеристика турбины

Кривые М_k – п и Δр_т – п являются первичными, так как они получаются в результате испытаний нескольких ступеней турбины на стенде. Первая из них служит для определения частоты вращения п по заданному моменту M_k, а вторая – для перепада давления Δр_т и, следовательно, гидравлической мощности (N_г = Δр_тQ; Q – постоянная). Две другие кривые вторичные; они получаются простым расчетом по формулам:

N_k = М_k·ω;

Здесь ω — угловая скорость.

Если принять, что крутящий момент, перепад давления и мощность пропорциональны числу ступеней, то стендовую характеристику можно пересчитать как для одной ступени, так и для любого числа ступеней, составляющих турбобур.